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[국내논문] 변단면 단일 현장타설말뚝의 소성힌지 영향분석
Analysis of Plastic Hinge on Pile-Bent Structure with Varying Diameters 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.30 no.3C, 2010년, pp.149 - 158  

안상용 ((주)대우엔지니어링 인프라사업본부) ,  정상섬 (연세대학교 사회환경시스템공학부) ,  김재영 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-${\Delta}$ 효과를 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제 시공된 현장타설말뚝에 대한 말뚝재료의 균열 휨모멘트 및 균열 수평하중을 산정하였고, 국내 외에서 적용하고 있는 대표적인 수평변위 기준과의 비교분석을 수행하였다. 또한 구조적 특성을 파악하기 위하여 설계자료를 토대로 재료 및 지반조건을 반영한 현장타설말뚝의 거동을 예측하여 변단면 설계의 타당성을 검토하였다. 분석 결과, 재료의 항복거동과 P-${\Delta}$ 효과 고려시, 이를 고려하지 않는 경우와 비교하여 최대 모멘트가 지표면 부근에서 발생하여 소성힌지 위치에 영향을 주는 것을 나타났으며, 말뚝의 재료파괴는 주로 기둥부의 단면적이 작은 말뚝-기둥 접합부에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한 주로 말뚝이 수평변위 기준에 도달하기 전에 재료의 파괴가 먼저 발생하기 때문에 말뚝의 항복효과를 고려해야 함을 알 수 있었다. 본 연구 결과, 변단면 단일 현장타설말뚝의 설계 시 불확실성을 고려하여 지지력을 과소평가하고 있는 것으로 나타났으며, 말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-${\Delta}$ 효과를 고려한 해석기법을 통하여 거동특성을 정확히 예측한다면 경제적인 설계가 가능할 것으로 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the behavior of Pile-Bent structure with varying diameters subjected to lateral loads were evaluated by a load transfer approach. An analytical method based on the beam-column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic, yiel...

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문제 정의

  • 이에 본 연구에서는 단일 현장타설말뚝의 해석프로그램인 PY-Shaft ver 1.0을 이용하여 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하고, 실제 시공이 이루어진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 설계자료를 토대로 재료 및 지반조건을 반영한 거동을 예측하여 변단면 설계의 타당성을 검토하였다. 이를 위하여 말뚝재료의 균열 휨모멘트 및 균열 수평하중을 산정하였으며, 국내외에서 적용하고 있는 대표적인 수평변위 기준과의 비교분석을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 십여 년의 연구성과를 토대로 p-y 해석기법을 기반으로 하는 새로운 단일 현장타설말뚝 해석프로그램인 PY-Shaft(정상섬 등, 2006)를 개발하였다. PY-Shaft는 지반의 비선형성뿐만 아니라 말뚝재료의 항복효과와 재료의 기하학적인 변형을 나타내는 P-∆효과를 고려하였다.
  • 본 연구에서는 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝을 대상으로 케이싱 보강 및 기둥-말뚝 직경 조건에 대한 매개변수 연구(parametric study)를 수행하여 이에 대한 거동을 분석하였다.
  • 그러나 기둥/말뚝의 직경을 포함한 단면설계가 적절히 이루어지지 않는다면 지상부 기둥의 단면력이 충분히 작아지지 않아 소성힌지의 지상부 유도가 이루어지지 않을 수도 있으며, 지중부 말뚝의 직경이 필요 이상으로 설계될 수 있는 소지가 있다. 이에 본 연구에서는 수평하중 500kN, 수직하중 1000kN의 하중을 동시에 받는 단일 현장타설말뚝을 대상으로 해석을 수행하여 기둥 및 말뚝 직경에 따른 거동특성을 분석하였다. 본 해석에 적용된 단일 현장타설말뚝은 기둥길이 10m, 말뚝길이 20m이며, 느슨한 사질토 지반에 근입되어 있다.
  • 본 연구에서는 말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-∆ 효과를 고려한 단일 현장타설말뚝의 해석기법을 토대로 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제 설계자료를 토대로 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 균열모멘트 및 균열하중을 산정하여 소성힌지를 예측하고 파괴형태를 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-∆ 효과를 고려한 단일 현장타설말뚝의 해석기법을 토대로 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 거동특성을 분석 결과는? 1. 실제 시공이 이루어진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 균열 휨모멘트 및 균열 수평하중을 산정하고 국내·외 수평변위 기준(말뚝직경 1%, 38mm)의 타당성을 검토한 결과, 말뚝의 재료파괴는 주로 기둥부의 단면적이 작은 말뚝-기둥 접합 부위에서 발생하는 것을 알 수 있었다 . 그러나 일부 말뚝에서는 기둥 단면력 감소에 따른 소성 힌지의 지상부 유도가 적절히 이루어지지 않아 파괴시에 지중부 말뚝에서 파괴가 먼저 일어나는 것으로 나타나 이에 대한 세심한 주의가 필요한 것으로 나타났다. 2. 또한, 총 9본의 말뚝 중 6본의 말뚝이 수평변위(말뚝직경 1%) 기준에 도달하기 전에 재료의 파괴가 먼저 발생하는 것으로 나타나 균열 모멘트 및 균열하중을 산정하여 말뚝 항복효과를 고려하지 않고, 탄성해석과 수평변위 기준만으로 변단면 단일 현장타설말뚝을 설계한다면 위험소지가 있는 것으로 판단된다. 3. 동일 하중하에서 재료의 항복이 이루어지지 않는다면 단일 현장타설말뚝의 휨모멘트 거동은 기둥직경의 영향이 없으며, 말뚝직경에 따른 영향이 다소 있으나 그 크기는 크지 않는 것으로 나타났다. 4. 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 설계시 불확실성을 고려하여 지지력을 크게 과소평가하고 있는 것으로 나타났으며, 따라서 말뚝재료의 항복거동 및 P-∆ 효과를 고려한 경제적인 설계가 필요할 것으로 판단된다.
수평하중을 받는 말뚝 거동에 대한 해석방법은 어떤 것들이 있는가? 지난 수 십년동안 단일 현장타설말뚝 구조물과 거동특성이 유사한 단독말뚝과 군말뚝의 수평거동에 대해 많은 시험과 연구가 있어 왔다. 수평하중을 받는 말뚝 거동에 대한 해석방법으로는 대표적으로 Broms법(Broms, 1964a and 1964b), 탄성법(Poulos 1971a and 1971b)과 p-y해석법(Matlock, 1970; Reese, 1977; Murchison and O'Neill, 1984; 정상섬, 2001) 등이 있다. 이중 p-y해석법은 해석절차가 간편하여 수평하중을 받는 말뚝의 해석을 위해 가장 일반적으로 사용되고 있다.
단일 현장타설말뚝은 어떤 기초인가? 단일 현장타설말뚝은 일반적으로 사용하는 기둥-캡-말뚝의 3가지 요소로 구성되는 구조형식과는 달리 말뚝캡(pile cap) 없이 말뚝과 기둥을 단일부재로 사용하는 일체화된 기초이다. 기존의 군말뚝기초공법에 비하여 말뚝 갯수가 줄어 시공이 간편하고 공기 단축이 가능한 장점이 있다.
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참고문헌 (20)

  1. 설훈일 (2007) Load Transfer Analysis of Rock-Socketed Drilled Shafts by considering Coupled Soil Resistance. 박사학위논문, 연세대학교. 

  2. 성철규(2008) 변단면 파일벤트 구조의 수평거동 분석. 석사학위논문, 연세대학교. 

  3. 손혁수, 최인기, 강동옥, 양종호(2005) 인천대교 고가교 단일 현장타설말뚝 기초의 설계. 대한토목학회 2005년도 학술발표회논문집, 대한토목학회. 

  4. 손혁수, 서석구, 송종영, 이완수(2005) 횡방향철근의 구속효과를 고려한 현장타설콘크리트 말뚝 설계. 대한토목학회 2005년도 학술발표회 논문집, 대한토목학회. 

  5. 이풍희, 김종흔, 전경수(2003) 단일 현장타설말뚝 기초의 설계방안 수립. 2003 가을학술발표회 논문집, 한국지반공학회. 

  6. 전경수(2000) 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 연직 및 횡방향 지지거동 분석, 박사학위논문, 서울대학교. 

  7. 정상섬, 곽동옥, 안상용, 이준규(2006) $P-\Delta$ 효과를 고려한 Pile-Bent 구조물의 수평거동 연구. 한국지반공학회 논문집, 한국지반공학회, 제 22권 제 8호, pp. 1-12. 

  8. 정상섬, 정상훈, 원진오(2001) Analysis of Pile - Cap Interaction by Load Transfer Approach, 한국지반공학회 논문집, 한국지반공학회, 제17권 제3호, pp. 95-102. 

  9. 조성한(1997), 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 하중전이에 관한연구. 박사학위논문, 연세대학교. 

  10. 함홍규(2002) Soil nail로 보강된 현장타설말뚝의 하중전이 분석, 석사학위논문, 연세대학교. 

  11. Broms, B. (1964a) Lateral Resistance of Piles in Cohesive Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvirment Engineering., ASCE, Vol. 90, No. 4, pp. 27-63. 

  12. Broms, B. (1964b) Lateral Resistance of Piles in Cohesive Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvirment Engineering, ASCE, Vol. 90, No. 4, pp. 123-156. 

  13. California Department of Transportation Division of Engineering Services (2006). CALTRANS SEISMIC DESIGN CRITERIA( VERSION 1.4). 

  14. FHWA (1987) Drilled Shaft, National Highway Institute. 

  15. Matlock, H. (1970) Correlation for design of laterally loaded piles in soft clay. The second annual offshore technology conference, Houston, TX, pp. 577-607 . 

  16. Poulos, H.G. (1971a) Behavior of Laterally Loaded Piles : Part 1 - Single Piles. Journal of Soil Mechanics and foundation Div., ASCE, Vol. 97, No. 5, pp. 771-731. 

  17. Poulos, H.G (1971b) Behavior of Laterally Loaded Piles: Part 2 - Group piles. Journal of Soil Mechanics and foundation Div., ASCE, Vol. 97, No. 5, pp. 733 -751. 

  18. PY-Shaft, User's manual (2009), 포스코건설(주). 

  19. Reese, L. C. and Wright, W. (1977) Drilled Shaft Manual, U. S. Department of Transportation. 

  20. Response 2000, User's manual (2000), University of Toronto. 

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